蛋白质折叠及其动力学研究

蛋白质折叠及其动力学研究

修鹏（浙江大学航空航天学院）

摘要：蛋白质在生物学中充当重要的角色，而蛋白质折叠问题被列为“21世纪的生物物理学”的重要课题。本文简述了蛋白质定义、蛋白质折叠的机制、折叠病以及相关的一些研究，论述了蛋白质折叠成核的假设，并简要介绍了蛋白质的动力学研究。蛋白质折叠机制的阐明将揭示生命体内的第二套遗传密码，而折叠机制的深入研究将会促使人们发现更多疾病的真正病因和更针对性的治疗方法，设计更有效的药物。

关键词：蛋白质，蛋白质折叠，折叠病，分子动力学

引言

在现代生物化学、分子生物物理学领域中，蛋白质的折叠、解折叠问题是引起人们极大兴趣的一个研究课题，它也是生命科学领域的前沿课题之一。

蛋白质折叠的研究，比较狭义的定义就是研究蛋白质特定三维空间结构形成的规律、稳定性和与其生物活性的关系；在概念上有热力学问题和动力学问题，有蛋白质在体外折叠和在细胞内折叠的问题，有理论研究和实验研究的问题。这里最根本的科学问题就是多肽链的一级结构到底如何决定它的空间结构？既然前者决定后者，一级结构和空间结构之间肯定存在某种确定的关系，有人把这设想的一级结构决定空间结构的密码叫作“第二遗传密码”。蛋白质折叠机制的阐明将揭示生命体内的第二套遗传密码，这是它的理论意义。

蛋白质分子在行使生物功能时，必须具有特定的二维空间结构，蛋白质折叠问题就是研究蛋白质天然结构是如何形成的，即具有一定氨基酸序列的多肽链如何逐步形成蛋白质所特有的空间结构。目前许多“构象病”或称“折叠病”都是由蛋白质折叠异常造成分子集聚甚至沉淀引起的，因此深入理解蛋白质折叠机制这一需求已经变得更加迫切。随着蛋白质折叠研究的深入，人们会发现更多疾病的真正病因和更针对性的治疗方法，设计更有效的药物。这是蛋白质折叠研究的实践意义。

一、蛋白质的定义

蛋白质是由氨基酸分子形成的长链，即其基本单位为氨基酸，而蛋白质的一级结构指的就是其氨基酸序列，蛋白质会由所含氨基酸残基的亲水性、疏水性、带正电、带负电……等等特性通过残基间的相互作用而折叠成一立体的三级结构。蛋白质是生物生存的基本条件。作为酶, 他们是所有生物化学反应的驱动力；作为结构的基本成分,它们是我们的骨骼、肌肉、头发、皮肤和血管的主要组成部分；作为抗体，它们可以识别入侵物体，使免疫系统工作从而清除这些物体。因此, 科学家对人类的基因组进行排序——生物圈蛋白质蓝图——但我们怎样可以了解这些蛋白质做了些什么？它们又是怎么运作的?

二、蛋白质为什么“折叠”？

蛋白质在生物学中充当重要的角色, 科学家开始对人类的基因组开始排序。基因组实际上是一张跟蛋白质有关的“蓝图”——基因组包含遗传密码（DNA Code），这些密码决定着氨基酸串成蛋白质长链的顺序。但是, 仅仅了解基因组序列并不能使我们充分了解蛋白质的工作，更无法了解它是如何工作的。为了发挥它的功能作用（比方作为酶和抗体），他们必须具有非常特定的形状, 亦称“折叠（Fold）”。蛋白质犹如一台令人惊奇的机器: 在他们进行工作之前, 他们自己组装自己! 这种自我装配被称为折叠“(Folding)”。虽然蛋白质可在短时间中从一级结构折叠至立体结构，研究者却无法在短时间中从氨基酸序列计算出蛋白质结构，甚至无法得到准确的三维结构。因此，研究蛋白质折叠的过程，可以说是破译“第二遗传密码”--折叠密码(folding code)的过程。

蛋白质折叠问题被列为“21世纪的生物物理学”的重要课题，它是分子生物学中心法则尚未解决的一个重大生物学问题。从一级序列预测蛋白质分子的三级结构并进一步预测其功能，是极富挑战性的工作。研究蛋白质折叠，尤其是折叠早期过程，即新生肽段的折叠过程是全面的最终阐明中心法则的一个根本问题，在这一领域中，近年来的新发现对新生肽段能够自发进行折叠的传统概念做了根本的修正。这其中，X射线晶体衍射和各种波谱技术以及电子显微镜技术等发挥了极其重要的作用。第十三届国际生物物理大会上，Nobel奖获得者Ernst在报告中强调指出，NMR用于研究蛋白质的一个主要优点在于它能极为详细的研究蛋白质分子的动力学，即动态的结构或结构的运动与蛋白质分子功能的关系。目前的NMR技术已经

能够在秒到皮秒的时间域上观察蛋白质结构的运动过程，其中包括主链和侧链的运动，以及在各种不同的温度和压力下蛋白质的折叠和去折叠过程。蛋白质大分子的结构分析也不仅仅只是解出某个具体的结构，而是更加关注结构的涨落和运动。例如，运输小分子的酶和蛋白质通常存在着两种构象，结合配体的和未结合配体的。一种构象内的结构涨落是构象转变所必需的前奏，因此需要把光谱学，波谱学和X 射线结构分析结合起来研究结构涨落的平衡，构象改变和改变过程中形成的多种中间态，又如，为了了解蛋白质是如何折叠的，就必须知道折叠时几个基本过程的时间尺度和机制，包括二级结构（螺旋和折叠）的形成，卷曲，长程相互作用以及未折叠肽段的全面崩溃。多种技术用于研究次过程，如快速核磁共振，快速光谱技术（荧光，远紫外和近紫外圆二色）。

三、蛋白质折叠和“折叠病”

人们对由于基因突变造成蛋白质分子中仅仅一个氨基酸残基的变化就引起疾病的情况已有所了解，即所谓“分子病”，如地中海镰刀状红血球贫血症就是因为血红蛋白分子中第六位的谷氨酸突变成了颉氨酸。现在则发现蛋白质分子的氨基酸序列没有改变，只是其结构或者说构象有所改变也能引起疾病，那就是所谓“构象病”，或称“折叠病”。

大家都知道的疯牛病，它是由一种称为Prion的蛋白质的感染引起的，这种蛋白质也可以感染人而引起神经系统疾病。在正常机体中，Prion是正常神经活动所需要的蛋白质，而致病Prion与正常Prion的一级结构完全相同，只是空间结构不同。

由于蛋白质折叠异常而造成分子聚集甚至沉淀或不能正常转运到位所引起的疾病还有老年性痴呆症、囊性纤维病变、家族性高胆固醇症、家族性淀粉样蛋白症、某些肿瘤、白内障等等。由于分子伴侣在蛋白质折叠中至关重要的作用，分子伴侣本身的突变显然会引起蛋白质折叠异常而引起折叠病。

四、蛋白质折叠及其动力学：

蛋白质热力学原理的发现立刻引出一个蛋白质折叠的动力学悖论。它首先由Cyrus Levinthal于1968年提出【1】。它的基本思路是假定蛋白质的自发折叠是随